基于環(huán)境同位素法對衡水湖區(qū)域地下水循環(huán)演化特征研究

王鳳元，徐素娟，譚 俊，馬利濤

基于環(huán)境同位素法對衡水湖區(qū)域地下水循環(huán)演化特征研究

王鳳元1，徐素娟1，譚 俊2，馬利濤1

(1.河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊，河北 邢臺 054000；2.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局勘查技術(shù)信息中心，河北 石家莊 050000)

衡水湖位于河北省冀棗衡漏斗區(qū)西部。為客觀認(rèn)識該地區(qū)地下水的循環(huán)模式及人類開發(fā)利用對地下水循環(huán)的影響，根據(jù)環(huán)境同位素標(biāo)記性和計時性特點對其進(jìn)行分析研究， 利用D、18O、T環(huán)境同位素方法對冀州市衡水湖一帶第四系地下水的循環(huán)模式進(jìn)行研究，初步判定該區(qū)域地下水補(bǔ)給運(yùn)移及地下水的循環(huán)演化特征。研究結(jié)果表明：該區(qū)域地下水劃分為兩種地下水類型，第Ⅰ含水組為 “新水”，主要接受降水和地表水的補(bǔ)給；第Ⅱ、Ⅲ含水組為“老水”，除接受側(cè)向補(bǔ)給外，還接受上層淺水的越流補(bǔ)給；人工超采地下水改變了地下水循環(huán)演化特征以及地下水中D、18O、T的同位素組成，增大了地下水遭受污染的風(fēng)險。

地下水；環(huán)境同位素；循環(huán)演化；開發(fā)利用

衡水市人均水資源占有量為全國人均水平的6.7%和世界人均水平的2.0%，水資源短缺嚴(yán)重，供水水源以地下水為主。自上世紀(jì)70年代以來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，持續(xù)大量的超采地下水，致使水位逐年下降，并形成了冀棗衡深層地下水漏斗，漏斗中心水位40 a平均降速2.37 m/a[1]。本次工作區(qū)在冀州市衡水湖一帶，位于冀棗衡漏斗西部。人類活動對地下水的開采及地下水位下降改變了地下水的循環(huán)演化特征。為客觀認(rèn)識該地區(qū)地下水的循環(huán)模式及人類開發(fā)利用對地下水循環(huán)的影響，根據(jù)環(huán)境同位素標(biāo)記性和計時性特點對其進(jìn)行了分析研究，總結(jié)出工作區(qū)地下水的循環(huán)演化特征。

1 研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

工作區(qū)位于河北省衡水地區(qū)西南部，為滹沱河沖洪積平原區(qū)與漳衛(wèi)河古河道洪泛平原區(qū)的交接地帶，區(qū)內(nèi)地貌類型大部分為漳衛(wèi)河沖積平原河道帶亞相和河間帶亞相，在工作區(qū)西北角為滹沱河沖洪積扇前緣，在衡水湖一帶為沖湖積相。表層為全新世沖積層，主要有亞粘土和亞砂土組成；區(qū)內(nèi)地形總體自西北向南和東方向緩慢傾斜，地面標(biāo)高一般為19～28 m，地面坡降0.2‰，地勢平坦；第四系沉積厚度340～370 m，地層自下至上分別為早、中、晚更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。

第四系地下水依據(jù)地質(zhì)分層和開采情況分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個含水組，對應(yīng)底界埋深分別為40～60 m、150～180 m、340～370 m。第Ⅰ含水組含水層巖性以粉砂、粉細(xì)砂為主，富水性較差、水質(zhì)較差，為本區(qū)的非主要開采層；第Ⅱ含水組含水層巖性以細(xì)砂、細(xì)中砂為主，水量中等，是本區(qū)農(nóng)田灌溉的主要開采層之一；第Ⅲ含水組含水層巖性以中粗砂和中細(xì)砂為主，富水性較好，是本區(qū)城鎮(zhèn)供水和農(nóng)田灌溉的主要開采層。

2 樣品的采集與測試

依托中國地質(zhì)調(diào)查局《冀中南城市群水文地質(zhì)調(diào)查》項目， 2013-2014年，在河北冀州市一帶采集大氣降水、地表水和地下水的環(huán)境同位素(D、18O、T)樣品共17組，其中，大氣降水1組，地表水1組，地下水15組，地下水的采集沿著深層地下水流向所布置的剖面進(jìn)行，共設(shè)5個取樣點，每個取樣點采集第Ⅰ含水組潛水、第Ⅱ含水組承壓水和第Ⅲ含水組深層承壓水3個層位的地下水各1組。采集樣品均送至國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心進(jìn)行測試，測試標(biāo)準(zhǔn)為DZ/T0064-93，測試結(jié)果見表1。

表1 環(huán)境同位素樣品測試結(jié)果及統(tǒng)計一覽表

3 δD、δ18O組成特征及其指示意義

大氣降水成因的地下水同位素和大氣降水同位素存在著某種關(guān)系，并可以借此來確定地下水的補(bǔ)給源[2，3]。根據(jù)表1的測試數(shù)據(jù)作δD—δ18O關(guān)系圖(見圖1)，由于本次工作在冀州市漳下村采集的大氣降水樣品點恰好落衡水大氣降水線(王仕琴，2009)[4]上，而距全球大氣降水線和中國大氣降水線[5]距離稍遠(yuǎn)。

圖1 工作區(qū)不同層位水體δD—δ18O關(guān)系圖

從各樣品在δD—δ18O關(guān)系圖中的富集形式和分布特征來看，各層地下水全部來源于大氣降水。所有樣品點均落在大氣降水線的右下方，且形成方程為δD=6.1951δ18O-13.323的蒸發(fā)線。這主要是由于蒸發(fā)作用所致，表明地下水在形成之前經(jīng)歷了不同程度的蒸發(fā)作用[6，7]。第I含水組位于蒸發(fā)線的遠(yuǎn)端，且偏離降水線最大，蒸發(fā)作用最為強(qiáng)烈，形成時氣候可能較炎熱[8，9]；第II含水組水點主要集中分布于蒸發(fā)線與降水線的交點附近，可以反映出蒸氣源水的原始平均同位素組成較低，同時也可以反映出在地下水形成時，蒸發(fā)作用最弱形成時氣候可能較寒冷[8，9]；第III含水組在分布范圍上較為分散，但大部分亦落在蒸發(fā)線與降水線的交點附近，蒸發(fā)作用與第II含水組相似，局部水點靠近第I、II含水組水點，說明III含水組地下水局部可能受到上部含水層組的越流影響；

另外，本次采集的有些樣品，其D、18O、T同位素組成相對于其所在的層位存在不同程度的偏高。有第Ⅰ含水組的冀州王家口采樣點和第Ⅲ含水組的冀州臧冢采樣點。冀州王家口第Ⅰ含水組采樣點同位素組成偏高是由于其位于衡水湖附近，開發(fā)利用程度小、地下水位埋深較淺、包氣帶厚度較小，僅3 m左右，且包氣帶巖性為粉質(zhì)粘土和粉土互層，滲透性較好，與地表水和大氣降水水力交替速度較快所致，水力交替速度增大也提高了淺層地下水遭受污染的風(fēng)險；冀州臧冢第Ⅲ含水組采樣點D、18O同位素組成異常偏高，且T值含量也偏大，由T值計算其年齡約為20年的“現(xiàn)代水”，因此推測該點應(yīng)該是地表水或淺層水和深層水的混合水，屬人為的“補(bǔ)給”深層水，這可能是由于該井的成井工藝問題，雖然該井的成井段為254～350 m，止水段為220～240 m，但可能該井的止水工藝出現(xiàn)問題，沒有將上層水徹底隔開，在開采下層水的時候由于水頭差的存在使上下層水在井內(nèi)貫通，導(dǎo)致上下層水混合，從而使同位素組成偏高幅度較大。這表明深層地下水亦存在著潛在的污染風(fēng)險。

4 氚含量特征及意義

4.1 地下水氚含量水平方向變化特征及意義

依據(jù)地下水氚含量沿深層承壓水(第Ⅲ含水組)徑流方向上的變化曲線(圖2)，可以得出：沿剖面方向，氚濃度的變化沒有規(guī)律可循，這可能是由于第Ⅰ含水組砂層多為間斷的透鏡體，不能形成連續(xù)的側(cè)向補(bǔ)給，因此，對于第Ⅰ含水組來說，下游的水可能并不是來自上游。由此推斷，第Ⅰ含水組地下水很可能是由同期的大氣降水補(bǔ)給的，而且是由地表雨水垂直入滲的方式進(jìn)行補(bǔ)給。這個推測也可以解釋第Ⅰ含水組氚含量無規(guī)律變化的特征:由于包氣帶巖性的差異或人類活動的影響，導(dǎo)致地表水與地下水間循環(huán)交替強(qiáng)弱不一，各地第Ⅰ含水組地下水中所補(bǔ)給的近些年的地表雨水的數(shù)量亦各不相同所致。

圖2 地下水氚含量沿水平徑流方向變化曲線

從第Ⅱ含水組氚濃度變化來看，沿徑流方向，氚濃度變化曲線基本水平，僅在碼頭李的北褚宜村采樣點氚含量略微增大，這可能是由于北褚宜村采樣點為村吃水井，常年間歇性開采，而剖面兩端的王口和馬南田、屈紙房均為農(nóng)田灌溉井，僅在灌溉季節(jié)開采，因此北褚宜這眼常年開采井勢必會與第Ⅰ含水組形成較大的水頭差，使第Ⅰ含水組水越流補(bǔ)給較多，從而導(dǎo)致該點的氚含量較高。由此還說明了第Ⅱ含水組地下水不僅來源于側(cè)向補(bǔ)給，還接受第Ⅰ含水組的垂向越流補(bǔ)給。

從第Ⅲ含水組氚濃度變化來看，沿徑流方向，氚含量逐漸減小，這是因為在地下水補(bǔ)給區(qū)，由于距補(bǔ)給時間較短，年齡較小，反應(yīng)在氚含量上就是濃度較大；隨著地下水的徑流的距離和時間的延長，其年齡越來越老，反應(yīng)在氚含量上就是隨著氚的不斷衰減濃度逐漸減小。

4.2 地下水氚含量垂向變化特征及意義

將環(huán)境同位素采樣點的氚含量作出垂向變化曲線(見圖3)。由該圖可知，地下水氚含量垂向變化特征較為顯著，隨著采樣深度的增大而減小，并且，從第Ⅰ含水組到第Ⅱ含水組氚含量降低迅速，而從第Ⅱ含水組到第Ⅲ含水組氚含量基本未變化。這說明第Ⅰ含水組與第Ⅱ含水組間的垂向水力聯(lián)系不夠密切，而第Ⅱ含水組與第Ⅲ含水組間的垂向聯(lián)系較為密切；另外還說明第Ⅰ含水組的水較為年輕，為1952年以后形成的“新水”且接受現(xiàn)代雨水的補(bǔ)給，或是1952年以前形成的“老水”與現(xiàn)代雨水補(bǔ)給的混合水[6，9]，而第Ⅱ、Ⅲ含水組地下水的年齡均較老，屬于1952年以前形成的“老水”。在本次所取樣品中，辛集王口一帶第Ⅰ含水組淺層水氚含量僅1.5 TU，其余4個采樣點均大于5 TU，根據(jù)定性區(qū)分地下水補(bǔ)給時間的標(biāo)準(zhǔn)[6，9]，辛集王口一帶第Ⅰ含水組的淺層水是由1952年以前的水和現(xiàn)代雨水補(bǔ)給的混合水。其余4處采樣點均為以現(xiàn)代雨水補(bǔ)給為主。這可能是由于在辛集王口一帶位于滹沱河沖洪積扇前緣，沉積砂層較為連續(xù)，側(cè)向補(bǔ)給量較大，再加上該地段地下水開發(fā)利用程度低，與地表水的垂向水力聯(lián)系相對較小所致。

圖3 地下水氚含量垂向變化曲線

5 結(jié)語

(1)工作區(qū)地下水均來源于大氣降水，但經(jīng)歷過不同程度的蒸發(fā)。第I含水組蒸發(fā)作用最為強(qiáng)烈，形成時氣候可能較炎熱；第II、III含水組蒸發(fā)作用相似，均較弱，形成時氣候可能較寒冷。

(2)第Ⅰ含水組淺層水氚濃度在水平方向上無變化規(guī)律，說明其受外界補(bǔ)給影響較大，主要接受降水和地表水的補(bǔ)給，由于地層的滲透條件和含水層的開采條件不同而致； 第Ⅱ、Ⅲ含水組深層水沿徑流方向變化趨勢為氚含量逐漸減小，說明其補(bǔ)給項包括側(cè)向徑流，且距離其主要補(bǔ)給區(qū)越遠(yuǎn)，其年齡越老，另外，還接受上部含水層組的越流補(bǔ)給。

(3)地下水氚含量垂向變化特征顯著，由淺至深逐漸減小。由數(shù)據(jù)分析，第Ⅰ含水組為1952年以后形成的“新水”且接受現(xiàn)代雨水的補(bǔ)給，或是1952年以前形成的“老水”與現(xiàn)代雨水補(bǔ)給的混合水。第Ⅱ、Ⅲ含水組地下水屬于1952年以前形成的“老水”。

(4)地下水D、18O、T同位素的組成既受大氣降水、周圍地表水體、地層巖性組合等天然條件的影響，還受地下水開發(fā)利用程度、開采方式以及成井工藝等人為因素的影響。人為影響因素對同位素組成的影響是由于改變了地下水與地表水或上層水的水力聯(lián)系，進(jìn)而改變了地下水的循環(huán)演化特征所致，使地下水遭受污染的風(fēng)險增大。

[1]王鳳元，徐素娟，譚俊，等.冀中南城市群水文地質(zhì)調(diào)查報告[R].中國地質(zhì)科學(xué)院.2015.

[2]江麗芳，高業(yè)新，張亞哲，等，華北山前平原不同含水組垂向水循環(huán)規(guī)律[J].南水北調(diào)與水利科技.2012.10(62)：136-138.

[3]趙紅梅.華北平原典型區(qū)第四系含水層精細(xì)結(jié)構(gòu)研究[R].石家莊：中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所.2010.

[4]王仕琴，宋獻(xiàn)方，肖國強(qiáng)，等.基于氫氧同位素的華北平原降水入滲過程[J].水科學(xué)進(jìn)展.2009.20(4),495-498.

[5]鄭淑惠，侯發(fā)高，倪葆齡.我國大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素研究[J].科學(xué)通報.1983.28(13):801-806.

[6]高晶，郝愛兵，魏亞杰，等.河套平原中東部地下水的環(huán)境同位素特征分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2009.(3):55-58.

[7]劉鋒，李延河，林建.北京市永定河流域地下水氫氧同位素研究及環(huán)境意義.地球?qū)W報.2008.29(2)，161-166.

[8]師永霞，王貴玲，高業(yè)新.華北東部平原地下水垂向循環(huán)的水化學(xué)與同位素標(biāo)示[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2010.37(4):19-23.

[9]張兆吉，費(fèi)宇紅，陳宗宇，等.華北平原地下水可持續(xù)開發(fā)利用前景[M].地質(zhì)出版社.2006.109-145.

Study on the Characteristics of Groundwater Cycle Evolution in Hengshui Lake Area Based on Environmental Isotope Method

WANG Feng-yuan1，XU Su-juan1，TAN Jun2，MA Li-tao1

(1.The 10th Geological Team of The Hebei Provincial Mining Bureau,Hebei,Xingtai,054000；2.Exploration Technology Information Center of Hebei geology and Mineral Resources Development Bureau,Hebei,Shijiazhuang,050000)

Hengshui Lake is located in the western part of Hebei Province. In order to get the groundwater cycle and the influence of human development and utilization on the groundwater cycle, the study is carried out based on the analysis of environmental isotope labeling and chronological characteristics. The circulation model of Quaternary groundwater in Hengshui Lake area of Jizhou City is studied by D、18O、T environmental isotope method, and the characteristics of groundwater recharge and groundwater circulation are preliminarily determined. The results show that the groundwater is divided into two kinds of types, the first water group is “new water”, which mainly receives the precipitation and surface water supply; the second and third water group is “old water”, except for lateral supply, but also accepts the superfluous supply of superficial shallow water. Artificial overdraft groundwater changes the characteristics of groundwater evolution and cycle and the isotopic composition of D,18O, and T in groundwater, which increases the risk of groundwater contamination.

groundwater; environmental isotope; evolution and cycle; development and utilization

2017-04-28

王鳳元(1964-)，男，河北高邑人，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)方面工作。

P641.2

A

1004-1184(2017)04-0023-03